CC BY
96
© М.А. Иофис, А.В. Гришин, 2013
М.А. Иофис, А.В. Гришин
ОСОБЕННОСТИ МАРКШЕЙДЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ НЕДР В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Проанализировано современное положение дел в области маркшейдерского обеспечения освоения недр. Показана необходимость обновления действующих нормативных документов в области промышленной безопасности и приведения их в соответствие с Федеральным законодательством и существующем положением изученности проблемы, а также рассмотрены вопросы расширения масштабов применения комплексного геомониторинга при освоении недр Земли.
Ключевые слова: маркшейдерская служба, обеспечение, недра, деформации, месторождения, прогноз, метод, оценка, контроль.
Маркшейдерская служба горнодобывающих отраслей промышленности всегда была и остается главным «государевым оком», следящим за рациональным освоением недр. В настоящее время, в связи с переходом на рыночные отношения, роль этой службы существенно возросла, а задачи многократно усложнились. После упразднения горнодобывающих министерств и ведомств нарушилась стройная структура маркшейдерской службы в этих отраслях промышленности, при которой маркшейдер предприятия находился под постоянным контролем вышестоящей организации, оказывающей ему в сложной ситуации необходимую помощь и поддержку. Теперь маркшейдерская служба находится в полном подчинении недропользователю, интересы которого не всегда совпадают с интересами государства, поскольку его цель — получение максимальной прибыли любой ценой, в том числе и за счет больших потерь полезного ископаемого. Для восполнения происходящего при этом истощения запасов полезных ископаемых, залегающих в благоприятных условиях, количество которых и без того с каждым годом заметно уменьшается, приходиться вовлекать в добычу месторождения со сложными горно-геологическими условиями, залегающими на
больших глубинах, в труднодоступных районах, удаленных от основных потребителей сырья.
В настоящее время под застроенными территориями и природными объектами находится более двух миллиардов тонн высококачественного угля. Вовлечение в добычу этих запасов равноценно строительству нескольких новых шахт. При этом стоимость реконструкции действующих шахт для отработки законсервированных или оставленных в охранных зонах запасов не превышает, как правило, 10—15 % от строительства новых шахт в слабоосвоенных районах.
Аналогичная ситуация и в ряде других отраслей горнодобывающей промышленности. Так на рудниках, разрабатывающих Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей на глубине 220—450 м, только эксплуатационные потери за счет оставления под землей междукамерных целиков, достигают 65—70 %. При этом два из четырех рудников, принадлежащих в то время ОАО «Уралкалий», были аварийно затоплены с безвозвратной потерей многих миллионов тонн ценного невозобновляемого полезного ископаемого. Для восстановления ресурсного потенциала страны в настоящее время ведутся работы по освоению Гремячинского месторождения калийных солей, залегающего на глубине 1100—1300 метров. Поскольку по существующей методике расчета целиков их размеры принимаются пропорциональными глубине горных работ, эксплуатационные потери могут превысить 85 %.
Одновременно с обострением проблемы полноты извлечения полезных ископаемых на действующих предприятиях, разрабатывающих месторождения в благоприятных условиях, усложнилась проблема отработки запасов под застроенными территориями и природными объектами. За последние 15—20 лет горнодобывающие районы коренным образом изменились. Здесь появились крупные промышленные комплексы по переработке минерального сырья с современным сложным оборудованием, на месте одноэтажных домов выросли высотные здания, создана густая сеть подземных коммуникаций, железных и шоссейных дорог с мостами и путепроводами, построе-
ны газопроводы и каналы со сложными гидротехническими сооружениями. Существенно повысилась значимость естественных и искусственных водоемов, лесных массивов и земельных угодий для охраны биосферы. Поэтому вопросы выемки запасов сырья под застроенными территориями и природными объектами изменились и переросли в большую народнохозяйственную проблему. Роль маркшейдерской службы в этих условиях многократно возросла, поскольку именно маркшейдерские расчеты кладутся в основу всех технических решений по отработке запасов под застроенными территориями и природными объектами.
К повседневной маркшейдерской работе добавились обязанности по управлению геомеханическими процессами, происходящими в толще горных пород и на земной поверхности при отработке запасов полезных ископаемых в сложных современных условиях, характеризующихся применением новой высокопроизводительной техники, большими скоростями под-вигания очистных и подготовительных забоев, вовлечением в добычу месторождений, опасных одновременно по газодинамическим и геодинамическим явлениям [1]. Маркшейдеру в этих условиях надлежит оценить геомеханическое состояние массива горных пород до начала горных работ, составить прогноз изменения этого состояния под влиянием горных работ и организовать контроль за развитием деформаций в горных выработках, на земной поверхности и в подрабатываемых объектах. Особую сложность представляет организация и проведение геомеханического мониторинга, под которым понимается система инструментальных наблюдений за состоянием потенциально опасных объектов, обеспечивающая своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций с таким расчетом, чтобы вовремя можно было принять необходимые профилактические и защитные меры.
Новые проблемы, в решении которых приходится принимать участие маркшейдерской службе, появились в связи с массовым закрытием нерентабельных шахт, рудников и карьеров. При подземной разработке месторождений полезных 32
ископаемых в толще горных пород образуются сквозные во-допроводящие трещины, по которым вода поступает в действующие выработки и затем откачивается на поверхность. На работу водозаборов такая ситуация особого влияния не оказывает. Но как только прекращается работа водоотлива шахты или рудника, грязные воды из выработанного пространства поднимаются по образовавшимся трещинам вверх, вплоть до земной поверхности и сильно засоряют горизонты пресных вод. Так, в результате ликвидации шахт Восточного Донбасса в Ростовской области оказались загрязненными многие водозаборы, колодцы и даже притоки реки Дон. Питьевая вода подается, в основном, по водопроводу из Волгоградской области.
Сложная ситуация сложилась на горнодобывающих предприятиях, ведущих отработку месторождений полезных ископаемых открытым способом. Хроническое отставание рекуль-тивационных работ от темпов отработки запасов привело к тому, что к моменту ликвидации предприятия значительный объем этих работ остается невыполненным. Особенно опасным является наличие на оползне опасных участках эксплуатируемых зданий и сооружений. Такое положение сложилось, в частности, на Коркинском угольном разрезе, где значительные территории города Коркино и поселка Роза оказались в зоне вредного влияния горных работ. Стоимость отселения жителей из опасной зоны оценена в двадцать с лишним миллиардов рублей. Таких средств ни у горнодобывающего предприятия, ни в резерве Челябинской области нет. Поэтому потребовалось срочно определить очередность переноса объектов из опасной зоны и организовать контроль за развитием деформационных процессов в этой зоне. Решение этой задачи поручено маркшейдерам.
Большие заботы легли на плечи маркшейдеров в связи с возрастающими темпами освоения подземного пространства крупных городов. Интенсивное наземное строительство, сопровождающееся расширением границ городов и уплотнением застройки, приводит к тому, что ресурсы земель, пригодных для строительства, быстро истощаются. Отчуждение но-
вых участков ведет к ликвидации сельскохозяйственных угодий и зеленых насаждений, изменению естественного ландшафта и, в конечном счете, к ухудшению экологической обстановки в городе.
Особое место в сложившейся ситуации занимает транспортная проблема, положительное решение которой возможно только на основе перевода части транспортных потоков под землю. Экономическая эффективность, техническая целесообразность и социальная значимость указанного пути решения проблем подтверждаются многолетним мировым и отечественным опытом. Условия эксплуатации подземных объектов не зависят от капризов погоды. Они надежно защищены и от других внешних воздействий, в том числе и от современных средств поражения. В них сохраняется постоянный тем-пературно-влажностный режим, следовательно, экономятся энергетические ресурсы. Эти объекты долговечны и экономичны в эксплуатации, поскольку в качестве строительного и изоляционного материала для них используется массив горных пород, что позволяет сократить расходы на капитальный и текущие ремонты. Таким образом, помимо экономии дорогостоящих земельных ресурсов, освоение подземного пространства крупных городов имеет и другие положительные стороны [2].
Вместе с тем, нельзя не учитывать, что освоение подземного пространства недр, в отличие от работ на земной поверхности, ведется в сложной, слабоизученной, постоянно изменяющейся и потенциально опасной среде, какой являются массивы горных пород. Эти массивы часто находится в состоянии неустойчивого равновесия, нарушение которого может привести и нередко приводит к серьезным авариям с тяжелыми последствиями, как для самого подземного сооружения, так и для объектов, находящихся в зоне его влияния. Поэтому успех освоения подземного пространства, его эффективность и безопасность во многом будут зависеть от того, насколько надежно мы сумеем оценивать геомеханическое состояние грунтового массива и прогнозировать его изменения под влиянием подземной строительства, а также насколько грамотно и оперативно сумеем воспользоваться этими зна-34
ниями. Без учета изложенных обстоятельств можно опорочить весьма здравую идею использования подземного пространства для нужд населения городов и надолго отложить ее реализацию. К сожалению, такая опасность существует, чему имеется множество подтверждений, о которых мы постоянно узнаем из публикаций в прессе или передач по телевидению. Для всестороннего глубокого анализа произошедших аварий маркшейдеры приглашаются редко, поэтому истинные причины аварий часто не устанавливаются, эффективные профилактические меры не принимаются, что ведет к повторению аварий и порождению нездоровых слухов и домыслов, поскольку должностные лица не всегда выступают с обоснованными разъяснениями причин этих аварий и информацией о принимаемых мерах. Между тем опыт показывает, что тщательное расследование каждой аварии и разработка на этой основе профилактических мер позволяет предотвратить десятки подобных аварий. Так, расследование авторитетной комиссией, возглавляемой маркшейдером, провала на улице Б.Дмитровка в Москве, образовавшегося в мае 1998 года при проходке коммуникационного тоннеля, позволило выявить причины аварии, виновных лиц и организаций, а главное — разработать и осуществить меры по предотвращению подобных аварий. Применение этих мер позволило уменьшить количество аварий в последние 10—15 лет, при том, что масштабы освоения подземного пространства в этот период возросли [3].
Необходимо учитывать, что при строительстве подземных сооружений происходит нарушение природных гидрогеологических условии и естественного поля напряжений, вызывающее возникновение в грунтовом массиве сложных геомеханических процессов. Одним из них является создание барражно-го эффекта, поскольку подземное сооружение, особенно имеющее большие размеры, играет роль своеобразной плотины, по одну сторону которой происходит скопление воды и разжижение грунтов, по другую — их осушение.
Теория и практика подземного строительства непрерывно совершенствуются. В последние десятилетия в горном деле
внедрены новые поколения приборов, оборудования, технологий, существенно изменилась законодательная база, функции государственных контрольных и надзорных органов. Накопился опыт практического применения законодательных и нормативных требований в области недропользования в новых условиях хозяйствования. Вместе с тем в связи с вступлением в действие Федерального закона «О техническом регулировании» со второй половины 2003 года нормативная база по освоению подземного пространства практически не обновлялась. Поэтому геодезические и маркшейдерские работы при строительстве подземных сооружений ведутся различными организациями по ведомственным инструкциям, руководствам, пособиям, и стандартам СРО, предназначенным для решения иных, как правило, более узких задач. Эти документы содержат неодинаковые требования к точности измерений, различные методики выполнения измерений и обработки их результатов. Анализ существующих нормативных и методических документов и опыт их применения показал, что в одних документах содержатся необоснованно завышенные требования, ведущие к удлинению сроков строительства и удорожанию его стоимости, в других — заниженные требования, не обеспечивающие необходимую безопасность работ по строительству подземных сооружений и сохранность объектов, попадающих в зону влияния этих работ. Для устранения этих недостатков «Союз маркшейдеров России» в рамках Государственного контракта № ДГП 11—45-ЭД от 29 августа 2011, разработал проект «Свода правил по геодезическому и маркшейдерскому обеспечению при строительстве подземных сооружений».
При составлении проекта «Свода правил», с целью обобщения существующих технологий и методов геодезических и маркшейдерских работ при строительстве подземных сооружений и коммуникаций был проведен анализ состояния нормативной правовой базы в области безопасного недропользования, маркшейдерско-геодезического обеспечения работ по освоению подземного пространства городов. Должное внимание было уделено устранению терминологических разночтений. Так, часто путались понятия «осадка» сооружений поверхно-
сти, вызванная уплотнением грунта под влиянием нагрузки от веса этих сооружений, и «оседание» земной поверхности, вызванное разуплотнением грунта при создании в нем полостей для размещения в них подземных сооружений.
Подготовленный проект «Свода правил» был размещен на сайте Союза маркшейдеров России в сети интернет.
Все замечания и предложения в обязательном порядке рассматривались на заседаниях ООО «Союз Маркшейдеров России» с привлечением специалистов, не входящих в рабочую группу, и по результатам обсуждений вносились поправки в разрабатываемый документ, либо давались аргументированные ответы и разъяснения, почему некоторые замечания и предложения не имеют должных оснований для их отражения в этом документе.
К апробации проекта «Свода Правил» были привлечены основные маркшейдерские кафедры ведущих государственных высших учебно-образовательных учреждений, а также крупнейшие организации, осуществляющие освоение подземного пространства.
В разработанном проекте «Свода правил» решен ряд научных, технических и организационных вопросов. В нем учтено, что грунтовый массив, в котором ведутся горные работы, часто находится в состоянии неустойчивого равновесия, нарушение которого может привести и нередко приводит к серьезным авариям с тяжелыми последствиями, как для самого подземного сооружения, так и для объектов, находящихся в зоне его влияния. Показано, что успех освоения подземного пространства, его эффективность и безопасность во многом будут зависеть от того, насколько надежно будет оценено геомеханическое состояние грунтового массива и спрогнозированы его изменения под влиянием подземного строительства.
Рост потребностей в различных видах минерального сырья и топлива и истощение запасов полезных ископаемых расположенных в наиболее доступных для их извлечения условиях, вызывает необходимость, как указывалось выше, вовлекать в разработку месторождения, залегающие на больших глубинах, в более сложных горно-геологических и геомеханических условиях, что существенно повышает опасность производства гор-
ных работ и подчас приводит к серьезным авариям с катастрофическими последствиями.
Безопасное и эффективное освоение месторождений полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах, осложняется тем, что с увеличением глубины ведения горных работ существенно изменяется характер протекания деформационных процессов в массиве пород и степень их влияния на земную поверхность.
В настоящее время достаточно полно изучены особенности изменения геомеханического состояния массива пород в зоне влияния горных работ при плавном характере развития деформационных процессов, свойственном разработке месторождений полезных ископаемых на малых глубинах. Для этих условий составлены эффективные методики оценки прогноза и контроля развития деформационных процессов, а также методы управления этими процессами, неоднократно успешно зарекомендовавшие себя в реальных условиях работы горных предприятий.
С увеличением глубины ведения горных работ увеличиваются размеры области сдвижения и деформаций горного массива. Это приводит к тому, что в эту область попадает большее количество структурных неоднородностей различного порядка, которые в свою очередь оказывают существенное влияние на характер развития деформационных процессов в массиве горных пород. Деформационное воздействие на земную поверхность при ведении горных работ на больших глубинах, как правило, снижается, но его область существенно увеличивается, и на этом фоне сильнее выделяются сосредоточенные деформации, оказывающие основное негативное воздействие на здания и сооружения, попадающие в зону влияния горных работ. В связи с этим, при ведении горных работ на больших глубинах, использование существующих методик оценки, прогноза и контроля деформационных процессов без их адаптации к новым условиям не дает должного результата и не способствует повышению безопасности и эффективности ведения горных работ.
Поэтому особую важность приобретает проблема установления закономерностей протекания деформационных процес-
сов при освоении месторождений полезных ископаемых на больших глубинах, принципиальным отличием которых является дискретный характер деформирования горных пород, и разработка на их основе методологии оценки, прогноза и контроля развития деформационных процессов в современных условиях.
В отдельных случаях подземная разработка месторождений полезных ископаемых с применением дорогостоящих профилактических и защитных мероприятий бывает не всегда эффективна. Поэтому созрела крайняя необходимость создания технологий добычи полезных ископаемых без присутствия людей в очистных забоях. Одной из наиболее перспективной в этом отношении является скважинная добыча в различных модификациях: от гидродобычи до подземной газификации и дегазации угольных пластов. Использование этих методов сильно сдерживается недостаточной изученностью геомеханических процессов, происходящих в толще горных пород и на земной поверхности, при применении упомянутых нетрадиционных технологий, поскольку их параметры должны строго соответствоать геомеханическому состоянию среды. Следовательно изучение и использование закономерностей развития геомеханических процессов при скважинной добыче полезных ископаемых является весьма актуальной задачей [4].
До настоящего времени исследовательские работы посвящались преимущественно вопросам технологии скважинной добычи полезных ископаемых, и совершенно недостаточно внимания уделялось изучению геомеханических и экологических особенностей этого способа. Между тем на процесс и парметры скважинной разработки полезных ископаемых большое влияние оказывает сдвижение горных пород. В связи с этим, комплексное геомеханическое обеспечение при СГД полезных ископаемых является необходимым как для прогнозирования процессов подработки объектов и своевременного принятия мер по их защите, так и для управления технологическими процессами при СГД. Поэтому особую важность приобретает проблема установлениия особенностей геомеханических процессов при геотехнологических способах добычи, од-
ним из принципиальных отличий которых от традиционыых технологий заключается в дистанционности процесса выемки и связанного с этим отсутствия возможности визуального контроля проявлений процесса сдвижения непосредственно в забое и в массиве горных пород. При этом основным вопросом геомеханического обеспечения при СГД является главным образом определение местоположения и размеров выработанного пространства косвенным путем, например, на основании наблюдений за сдвижением и деформациями земной поверхности. Оригинальная методика решения этой задачи, основанная на установленной взаимосвязи местоположения характерных точек мульды сдвижения на земной поверхности и границ выработанного пространства, образованного методом СГД, была разработана в ИПКОН РАН [5].
Все более усложняются задачи маркшейдерского обеспечения горнодобывающх предприятий при комбинированных способах разработки месторождений полезных ископаемых, особенно в период перехода от открытого к подземному способам, что объясняется рядом причин [6]. Из-за отставания горных работ по вскрытию подкарьерных запасов стволами и квершлагами, этот переход часто происходит на глубинах, значительно превышающих проектные, т.е. при совершенно ином геомеханическом состоянии массива горных пород, что требует оперативного пересмотра принятых ранее методов и параметров управления этим состоянием. Иногда вскрытие под-карьерных запасов осуществляется с помощью горных выработок, проводимых непосредственно из карьера. Важными элементам маркшейдерского обеспечения горных работ при переходе от открытых способов к подземным являются: определение размеров предохранительного (разделительного) целика между затапливаемым карьером и подземными выработками, контроль за развитием геомеханичесих процессов, происходящих в массиве горных пород при отработке подкарьерных запасов, и участие в разработке профилактических и защитных мероприятий в случае обнаружения признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций. Практика горного дела показывает, что нередко размеры разделительных целиков принимаются исходя их природной проницаемости горных по-
род, без должного учета того, что под влиянием горных работ эта проницаемость может меняться в разы. Исследованиями установлено, что высота распространения трещин в разделительном целике находится в прямой зависимости от величины прогиба целика и в обратной зависимости от критической деформации, т.е. величины относительной деформации растяжения, при которой породы, подстилающие водный объект, теряют сплошность [7]. Определенную роль в рассматриваемой проблеме играет и тот факт, что маркшейдерская служба, адаптировавшаяся к условиям работы в карьере, не всегда может достаточно быстро перестроиться на работу в подземных условиях. Негативное влияние этого фактора существенно уменьшается, когда одновременно с добычными работами в карьере ведутся работы по вскрытию запасов месторождения для подземной добычи полезного ископаемого и по отработке этих запасов, что позволяет персоналу постепенно адаптироваться к новым условиям, разумно чередуя работу в карьере с работой в руднике. При таком способе отработки подкарьер-ных запасов решаются и другие важные задачи ведения горных работ в переходной зоне.
Наиболее рациональной является следующая схема отработки упомянутых запасов. Отработку разделительного целика и его закладку начинают от планируемого дна карьера в нисходящем порядке. После отработки полезного ископаемого в разделительном целике и закладки выработанного пространства создается искусственный целик сводообразной формы, равный по мощности разделительному целику. Дальнейшая отработка полезного ископаемого подземным способом ведется под надежной защитой созданного искусственного целика. Такой способ позволяет предотвратить прорывы воды в горные выработки при отработке подкарьерных запасов, исключить потери полезного ископаемого в разделительном целике и уменьшить разрыв во времени между добычей полезного ископаемого открытым и подземным способами за счет создания искусственного целика из закладки до окончания добычных работ в карьере.
Таким образом, из всего вышеизложенного следует, что сложность и масштабы задач, решаемых маркшейдерской
службой по обеспечению безопасного и эффективного освоения недр за последние полтора-два десятилетия сильно возросли и темпы этого роста будут увеличиваться с вовлечением в добычу месторождений, залегающих в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах, что обусловлено интенсивным истощением запасов, расположенных в благоприятных условиях. На пути реализации своих возможностей маркшейдерской службе приходится преодолевать немало серьезных трудностей, а иногда и отступать перед ними. Для устранения препятствий на пути повышения безопасности и эффективности освоения недр необходимо принять ряд мер, в том числе:
— повысить статус маркшейдерской службы, законодательно закрепив за ней права и обязанности в новых современных условиях, особенно в части рационального освоения недр;
— обновить и привести в соответствие со сложившейся ситуацией и Федеральным законодательством действующие нормативные документы, регламентирующие порядок ведения горных работ под застроенными территориями и природными объектами;
— заменить мелкие, дублирующие друг друга устаревшие документы, составленные для отдельных небольших месторождений и регионов, едиными документами, посвященными крупной проблеме или отрасли и более обоснованными современными достижениями науки и практики, в том числе общими закономерностями развития геомеханических процессов, установленных в различных условиях освоения недр. Тридцатилетний опыт успешного применения единых «Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [8] подтвердил правильность такого пути составления нормативных документов в современных условиях.
— развивать возможности и расширять масштабы применения комплексного геомониторинга, включающего систему маркшейдерских наблюдений, обеспечивающих своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций с таким расчетом, чтобы вовремя можно было принять необходимые профилактические и защитные меры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Малышев Ю.Н., Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение разработки месторождений полезных ископаемых: Доклад на IX Международном маркшейдерском конгрессе. — Прага, 1994.
2. Петренко Е.В. Освоение подземного пространства. — М.: Недра, 1998.
3. Трубецкой К.Н., Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение комплексного освоения недр г. Москвы. // Горный журнал. — 1999. — № 11.
4. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология — М.: Изд. МГГУ, 2001.
5. Есина Е.Н. Особенности управления геомеханическими процессами при скважинной гидродобыче угля. Маркшейдерия и недропользование, № 4 — 2010. С. 7—8.
6. Клишин В.И., Филатов А.П. Подземная разработка алмазоносных месторождений Якутии. Издательство СО РАН. Новосибирск, 2008.
7. Методические указания по определению параметров опасных зон на горных предприятиях АК «АЁРОСА. — М.: ИПКОН РАН, АГЭЦ, 2007.
8. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» — СПб, 1998. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Иофис М.А. — профессор, доктор технических наук,
Гришин А.В. — кандидат технических наук,
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
